劉傳洋,藍永海
(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興314033)
隨著有源相控陣系統(tǒng)在機載平臺的應用,通信對抗系統(tǒng)不斷向小型、輕便和節(jié)能方向發(fā)展,提高功放效率是迫切需要解決的問題。功放效率和半導體功率器件的發(fā)展密不可分,GaN高電子遷移率晶體管的誕生,因其具備高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等性能,使功放效率得到了很大的提高,已廣泛應用于雷達和通信等領(lǐng)域[1,2]。
選用了一款高效GaN功率放大器件,為其設(shè)計匹配電路,使得該器件在L頻段(0.96~1.25 GHz)內(nèi)滿足輸出功率大于100 W,效率大于50%。
為了實現(xiàn)在 0.96~1.25 GHz頻段內(nèi)輸出100 W的功率,對射頻功率管有一定的要求。例如導通電阻要小、輸出寄生電容要低等。常用的場效應晶體管輸出功率有限,效率相對較低,不能滿足高效率要求。因此,具有較高功率密度、低導通電阻、低寄生電容和高輸出阻抗的寬禁帶器件是實現(xiàn)設(shè)計的首選[3-5]。
經(jīng)綜合比較,選定CREE公司的GaN功率管CGH40120F,此功率管的P1db輸出功率110 W,小信號典型增益20 dB,典型效率達到70%。
設(shè)計思路:首先對功率管進行直流分析確定功率管的靜態(tài)工作電壓和工作電流;再利用ADS軟件進行仿真,得到輸入、輸出阻抗匹配電路并對其穩(wěn)定性加以分析;最后加工印制板、調(diào)試及改版。
對功率管進行直流分析的目的是通過功率管的電流-電壓(I-V)曲線確定功率管的靜態(tài)工作電壓和電流。選擇正確的直流工作點以及適當?shù)闹绷髌秒娐?,對獲得設(shè)計要求的交流特性也是十分重要的。利用ADS軟件對該器件進行直流分析的結(jié)果如圖1所示。根據(jù)廠家提供的器件資料及圖1中的I-V靜態(tài)曲線,選取Vds=26 V、Vgs=-2.9 V作為功率管的靜態(tài)工作點,此時放大器工作在AB類工作狀態(tài),在滿功率輸出時效率較高,線性度也較好[6-8]。
圖1 I-V靜態(tài)曲線
眾所周知,GaN器件是負偏置工作器件,漏極和柵極的供電需要一定的時間控制。如圖2所示,上電時必須先開啟柵極電壓Vgs,然后才能開啟漏極電壓Vds;反之,斷電時,先斷開漏極電壓Vds,然后再斷開柵極電壓Vgs。
圖2 功率管上電斷電時序圖
很典型地,偏置電壓是通過一個1/4波長線引入到射頻電路中功率管的電極。在這需要注意的是,漏極上電時,柵極不可以懸空或者接地,否則極易引起類似振蕩現(xiàn)象而導致功率管的損壞[9]。
在放大器的設(shè)計中,其供電及偏置是非常重要的。放大器電路的電源供電和偏置設(shè)計不好,將嚴重影響功放的指標和穩(wěn)定性。GaN功率管CGH40120F的供電電路設(shè)計原則如下:
①反射小,即對主傳輸線的附加駐波要小;
②引入噪聲小,即要求在有高頻能量傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中,盡量使用無耗網(wǎng)絡(luò),如果實在不能避免則必須要加濾波網(wǎng)絡(luò)來減小附加噪聲的引入;
③附加損耗小,即要求在頻帶內(nèi)呈現(xiàn)純電阻要小,使能量盡可能的沿主線傳輸?shù)截撦d,但有耗網(wǎng)絡(luò)的引入可以改善系統(tǒng)的駐波,因此可以根據(jù)具體的設(shè)計需要進行取舍。
用ADS仿真設(shè)計功率放大器,最理想的情況是器件生產(chǎn)廠家提供大信號情況下的器件模型,而CREE公司恰恰提供了功率管CGH40120F的大信號模型。這樣就可以比較準確地進行匹配電路的仿真優(yōu)化。
匹配電路的設(shè)計,實際上是以共軛匹配的方式,將器件的端口阻抗逐漸變換到50 Ω。器件的輸入/輸出阻抗是隨著工作頻率變化的,所以在進行阻抗匹配時,不可能在所要求的頻段內(nèi)達到完全的匹配。一般工作頻帶越寬,阻抗變化越大,匹配電路的設(shè)計就越困難。為滿足寬帶匹配要求,一般都是進行多節(jié)的阻抗變換,即在輸入端和輸出端有多段微帶線級聯(lián),每個微帶線有長度和寬度2個變量[10]。匹配電路仿真模型如圖3所示。
圖3 匹配電路仿真模型
仿真時既要兼顧功率輸出大小又要兼顧效率的高低,此外還要考慮到實際饋電電路的影響。這樣就可對設(shè)計好的寬帶匹配電路進行大信號S參數(shù)仿真優(yōu)化,通過仿真優(yōu)化,在 L頻段(0.96~1.25 GHz)仿真結(jié)果如圖4所示。
從圖4分析得知,功率管CGH40120F輸出電路匹配較好,在頻率范圍為0.96~1.25 GHz內(nèi),正向傳輸增益>12.8 dB,輸出端口駐波<1.6,說明正向傳輸很大,反射很小。因此采用節(jié)數(shù)較多的微帶線匹配法結(jié)合ADS對設(shè)計目標進行優(yōu)化,減少了人為調(diào)試,對功率管匹配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)取得了不錯的效果。
圖4 功放電路仿真結(jié)果
穩(wěn)定性[11]是指放大器抑制環(huán)境的變化,維持正常工作的特性的能力,是設(shè)計中關(guān)鍵因素之一,它要求設(shè)計好的電路穩(wěn)定輸出功率,不自激而且遠離自激振蕩狀態(tài)。因此,在放大器阻抗匹配電路設(shè)計完成之后必須進行穩(wěn)定性分析與仿真。
放大器穩(wěn)定系數(shù)隨頻率的變化曲線如圖5所示。可以看出,穩(wěn)定系數(shù)StabFact1﹥1,說明放大器在此頻段內(nèi)無條件穩(wěn)定。
圖5 穩(wěn)定性曲線
仿真與實物之間肯定存在或大或小的差異。在本設(shè)計過程中,誤差的形成主要有以下幾個方面:
①參數(shù)設(shè)置不準確。主要是印制板材的參數(shù)不準,如介電常數(shù)、板材厚度不均勻,各數(shù)值誤差范圍較大等;
②用S參數(shù)提取的數(shù)據(jù)有誤差。盡管在優(yōu)化過程中盡量使兩者的S參數(shù)一致,但畢竟不可能完全一樣,提取的參數(shù)和實際有差別;
③印制板加工過程中引入的誤差;
④仿真算法引入的誤差。在仿真過程中,各元器件都是用理想元件來計算的,必然與實際有較大的差異[12]。
根據(jù)仿真設(shè)計過程,加工了一塊該放大器的電路印制板,板材為0.5 mm厚聚四氟乙烯玻璃纖維雙面覆銅板。裝配好一個模塊,經(jīng)過簡單調(diào)試后,對該模塊進行了測試。測試條件是:連續(xù)波工作,漏極Vds=26 V,柵極電壓Vgs=-2.9 V。該放大器輸出100 W時的效率測試曲線如圖6所示,可見在0.96~1.25 GHz頻率范圍內(nèi)效率大于50%。
圖6 放大器效率測試曲線
給出可用于實際設(shè)計的方法和注意事項,對射頻電路設(shè)計師的實踐工作具有一定的幫助。從設(shè)計可以看出,GaN大功率器件在寬帶和高效率應用中有著非常優(yōu)異的表現(xiàn),在L頻段(0.96~1.25 GHz)可以達到連續(xù)波輸出功率100 W,效率大于50%,驗證了GaN功率器件的高效率特性??梢灶A測隨著越來越多的新型GaN功率器件的面世,相對傳統(tǒng)的雙極型晶體管和MOSFET場效應管的優(yōu)勢將更大,從而能更好地滿足未來通信對抗系統(tǒng)高效率的要求。
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